[发明专利]具有异质材料结构的发光元件及其制造方法

说明书

本发明提供具有异质材料结构的发光元件及其制造方法。本发明的具有异质材料结构的发光元件包含：基板；形成在基板上的n型半导体层；形成在n型半导体层上的活性层；形成在活性层上的p型半导体层；形成在p型半导体层上的透明电极层；形成在透明电极层上的第一电极；以及形成在透明电极层、p型半导体层和活性层被蚀刻而露出n型半导体层的区域的第二电极，其中基板包含由具有互不相同的折射率的至少两种材料构成的突出部。本发明制造具有异质材料结构的发光元件，由此减小半导体发光元件的缺陷并增大发光层的面积，且通过增加光的散射而具有提高发光元件的亮度的效果。

技术领域

本发明涉及具有异质材料结构的发光元件及其制造方法，尤其涉及为了提高光提取效率而在基板上的半导体材料形成之前或形成途中形成由互不相同的异质材料构成的凹凸结构，由此增加光的外部提取效率的具有异质材料结构的发光元件及其制造方法。

背景技术

最近，因为由LED(Light Emitting Diode，发光元件)构成的照明器具等相比于以往的白炽灯或荧光灯具有寿命长、耗电相对较低、在制造工艺中不排出污染物的优点等原因，其需求火爆地增加，且发光元件的应用领域渐渐多样化，如其不仅应用于利用发光的显示装置，而且还应用于照明装置或LED显示装置的背光元件等。

发光元件是将电能转换为光的固体元件的一种，通常包含介于两个相反的掺杂层之间的半导体材料活性层，当上述两个掺杂层两端接通偏压时，空穴和电子被注入到活性层之后，在活性层重新结合而产生光，在活性层中产生的光向所有方向发出，通过所有露出表面释放到半导体芯片外。

图1为表示通常的发光元件的制造过程的示例图，如图1的(a)所示，在蓝宝石基板101上生长n型半导体层102之后，形成电子和空穴相结合而能够发出光的InGaN/GaN氮化物多量子阱结构的活性层103，再生长p型半导体层104。

接着，如图1的(b)所示，为了露出n型半导体层102的一部分以形成电极，进行利用照相平版印刷术的台面蚀刻(Mesa Etching)。

而且，如图1的(c)所示，在进行台面蚀刻区域的n型半导体层102上部形成n型电极105，在p型半导体层104上覆盖能够透过光线的薄薄的p型金属膜106，然后在该p型金属膜106上部沉积较厚的p型电极107。

作为在这种已有结构尤其是在氮化物系列LED结构中提高光提取效率的主要手段，尝试着将活性层的内部量子效率极大化的研究方向和将在活性层中生成的光最大限度地提取到LED芯片外部的研究方向。

作为在发光元件中决定光提取效率的因素，可列举以下两个大的因素：一是由电流扩散层的透射程度决定的光损失；二是因发光界面上的全反射而引起的光损失。

关于第一个因素，现有LED元件的电流扩散层主要使用几nm及几十nm厚度的Ni/Au合金层等，根据其厚度和合金(alloy)条件，针对发光波长具有60～80％左右的透射率。

为了克服该问题，最近出现了使用ITO等透射度高的电极材料的研究方向，但是因与p型半导体(GaN)层之间的高接触电阻，难以真正商用化，所以应用了采用n-p隧道结或InGaN/GaN超晶格等结构的技术等。

与第二个因素相关的全反射引起的光损失是因为在光从发光元件的上部向外部发出的界面，即p型GaN和树脂的界面，或p型GaN和空气或者与p型GaN相接触的其他材料之间的界面，或者LED元件的下部区域存在的缓冲层和蓝宝石基板的界面等处的相邻材料之间的折射率差异而产生的。

构成通常的半导体发光元件的半导体具有高于基板、环氧树脂或空气层等外部环境的折射率，因此根据电子和空穴的结合而产生的大多数光子滞留在元件内部，所以外部量子效率将根据元件所具有的结构形态和构成该元件的材料的光学特性而受到很大影响。